一种质子交换膜水电解槽及其装配装置和制造方法

本发明涉及水电解制氢，具体为一种质子交换膜水电解槽及其装配装置和制造方法。

背景技术：

1、氢气具有热值高、作为燃料使用后其反应产物无碳排放且无污染的特点，其可作为储能物质连接能源需求端与能源供给端，被认为是一种有广泛应用前景的能源载体。质子交换膜水电解制氢技术具有工作电流密度大、产氢纯度高、结构紧凑、启停迅速、动态响应快的优点，可以很好地适应可再生能源发电的波动性。该技术在充分利用可再生能源资源的同时，能更好地助力太阳能和风能产生的电力并入电网，从而实现电网的“削峰填谷”，因而具有广阔的发展前景。

2、由于氢气分子量小，十分容易泄漏，因此，对质子交换膜电解槽的装配和密封提出了很高的要求，同时，质子交换膜水电解槽的各部件在装配时需要定位放置于装配装置上，而传统的外定位方法需要对前后左右四个方向进行定位，故至少需要四个定位导杆，内定位方法虽最少仅需两根定位导杆，但需要在平板内部开孔，定位孔会占据平面上原本可被利用的空间。此外，现有的质子交换膜电解槽在装配好后需从装配装置上取下，才能与测试装置相连接检测电解性能，但是，由于电解槽的部件数量十分多，若装配好的电解槽中存在有电化学性能不良的部件，则需要重新将电解槽装入装配装置、压紧、再拆卸预紧螺栓，这一过程十分复杂，降低了电解槽装配的工作效率，使人力成本增加。

技术实现思路

1、针对现有的质子交换膜电解槽的密封性不足问题，本发明提供了一种质子交换膜水电解槽，其具有很好的密封效果，同时，还针对现有的质子交换膜电解槽装配时定位结构复杂、装配后不便于更换部件的问题，提供了质子交换膜水电解槽的装配装置和制造方法，使得质子交换膜水电解槽装配过程便捷，装配压紧后无需施加紧固用的装配组件就可在装配装置上直接连接水电解槽测试台的管路和直流电源电缆进行电解性能初步测试，从而检验各部件是否满足电解槽设计的电化学性能，并可很方便地对性能异常的部件进行更换，从而大大提高质子交换膜水电解槽的装配和检测效率。

2、其技术方案是这样的：一种质子交换膜水电解槽，其包括由装配组件紧固连接在一起的上绝缘端板、阴极集电板、接触碳纸、极板膜电极组件、阳极集电板和下绝缘端板，质子交换膜水电解槽侧部还设有沿竖向延伸的限位槽，所述极板膜电极组件包括上端氢气单极板膜电极组件、多个堆叠的中间段核心组件、下端单极板组件，所述上端氢气单极板膜电极组件包括氢气单极板组件和膜电极，所述中间段核心组件包括双极板组件和膜电极，所述膜电极包括依次设置的阳极多孔传输层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层与阴极气体扩散层，其特征在于：所述限位槽呈方形并且所述限位槽不相对地设置于所述质子交换膜水电解槽的相对两侧；所述上绝缘端板和所述上端氢气单极板膜电极组件之间、所述上端氢气单极板膜电极组件和与之相邻的中间段核心组件之间、各个中间段核心组件之间、所述下端单极板组件和与之相邻的中间段核心组件之间、所述上端氢气单极板膜电极组件中的氢气单极板组件和膜电极之间、各个中间段核心组件中的双极板组件和膜电极之间均设有密封垫片，所述密封垫片中间设有多孔导电层限位孔；

3、所述上绝缘端板和所述上端氢气单极板膜电极组件之间的所述密封垫片的一面与所述氢气单极板组件的非流道面贴合，另一面与所述上绝缘端板贴合，所述接触碳纸位于所述密封垫片中间的多孔导电层限位孔中，并分别与所述氢气单极板组件的非流道面、所述阴极集电板贴合；

4、所述上端氢气单极板膜电极组件中的所述密封垫片的一面与所述氢气单极板组件的阴极极面贴合，另一面与该上端氢气单极板膜电极组件中的质子交换膜的外露部分贴合，所述上端氢气单极板膜电极组件的阴极气体扩散层位于所述密封垫片中间的多孔导电层限位孔中；

5、所述上端氢气单极板膜电极组件和所述中间段核心组件之间的所述密封垫片的一面与上端氢气单极板膜电极组件的质子交换膜的外露部分接触，另一面与所述中间段核心组件的阳极极面贴合，所述上端氢气单极板膜电极组件的阳极多孔传输层位于所述密封垫片中间的多孔导电层限位孔中；

6、所述中间段核心组件中的所述密封垫片的一面与该中间段核心组件中的质子交换膜的外露部分贴合，另一面与该中间段核心组件中的阴极极面贴合，所述中间段核心组件的阴极气体扩散层位于所述密封垫片中间的多孔导电层限位孔中；

7、两个所述中间段核心组件之间的密封垫片的一面与其中一个中间段核心组件的阳极极面贴合，另一面与另一个中间段核心组件的质子交换膜的外露部分接触，另一个中间段核心组件的阳极多孔传输层位于所述密封垫片中间的多孔导电层限位孔中；

8、所述中间段核心组件和所述下端单极板组件之间的所述密封垫片的一面与中间段核心组件的质子交换膜的外露部分接触，另一面与所述下端单极板组件的阳极极面贴合，所述中间段核心组件的阳极多孔传输层位于所述密封垫片中间的多孔导电层限位孔中。

9、进一步地，所述上绝缘端板设有分别用于安装水-氧气进水接头、水-氧气出气接头、氢气出气接头、氢气端排水接头的水-氧气进口通孔、水-氧气出口通孔、氢气出气通孔、氢气端排水通孔，所述极板膜电极组件和所述密封垫片上分别开设有与所述水-氧气进口通孔、所述水-氧气出口通孔、所述氢气出气通孔、所述氢气端排水通孔连通的水-氧气进口总管孔、水-氧气出口总管孔、氢气出气总管孔、氢气端排水总管孔，所述水-氧气进口总管孔通过所述极板膜电极组件上的或者所述下端单极板组件的阳极极面上的水流凹槽与所述水-氧气出口总管孔连通，所述氢气出气总管孔通过所述极板膜电极组件上的或者所述氢气单极板组件的阴极极面上的气流凹槽与所述氢气端排水总管孔连通。

10、更进一步地，所述上绝缘端板下表面对应所述水-氧气进口通孔、所述水-氧气出口通孔、所述氢气出气通孔、所述氢气端排水通孔的四周设有密封槽腔体，所述密封槽腔体内置有密封线一；

11、围绕所述阳极极面的各总管孔和所述水流凹槽两侧外沿上设有阳极密封槽腔体，围绕所述阴极极面的各总管孔和所述气流凹槽的两侧外沿上设有阴极密封槽腔体，所述阳极密封槽腔体和所述阴极密封槽腔体分别内置有阳极密封线和阴极密封线。

12、更进一步的，所述双极板组件包括双极板本体、阳极金属薄片、所述阳极密封线、阴极金属薄片、所述阴极密封线，所述双极板本体包括阳极极面和阴极极面，所述阳极金属薄片内嵌于所述双极板本体的阳极极面的阳极金属片槽中，所述阴极金属薄片内嵌于所述双极板本体的阴极极面的阴极金属片槽中，所述水-氧气进口总管孔与所述氢气出气总管孔开设在所述双极板本体的同侧，所述水-氧气出口总管孔与所述氢气端排水总管孔开设在所述双极板本体的同侧；

13、所述双极板本体的阳极极面设有水流凹槽、阳极金属片槽与阳极密封槽腔体，阳极极面的水-氧气进口总管孔通过水流凹槽与水-氧气出口总管孔相连通，所述水流凹槽在靠近水-氧气进口总管孔和水-氧气出口总管孔的位置处的深度大于水流凹槽主体的深度，并且在靠近水-氧气进口总管孔和水-氧气出口总管孔的位置处开有所述阳极金属片槽，用于嵌入所述阳极金属薄片；

14、所述双极板本体的阴极极面开有气流凹槽、阴极金属片槽与阴极密封槽腔体，所述阴极极面的氢气出气总管孔通过所述气流凹槽与所述氢气端排水总管孔相连通，所述气流凹槽在靠近氢气出气总管孔与氢气端排水总管孔位置处的深度大于气流凹槽主体的深度，并在靠近氢气出气总管孔与氢气端排水总管孔位置处开有阴极金属片槽，用以嵌入阴极金属薄片。

15、进一步地，所述下绝缘端板包括上板、下板和多个弹簧，所述上板和所述下板的相向面的中部均开有多个弹簧孔，所述弹簧置于所述弹簧孔中。

16、进一步地，所述限位槽开设于所述上绝缘端板、所述极板膜电极组件、所述密封垫片、所述阳极集电板和所述下绝缘端板的两侧。

17、一种质子交换膜水电解槽的装配装置，其包括可调压机、定位导杆、下垫板和上垫板，所述可调压机包括气缸和推板，其特征在于：其用于上述的质子交换膜水电解槽的装配，所述定位导杆与所述质子交换膜水电解槽的侧部的限位槽形状、位置相对应，所述气缸与所述推板连接并带动所述推板上下运动，所述推板上安装有所述下垫板，所述下垫板的正上方设有所述上垫板，所述下垫板与质子交换膜水电解槽的下绝缘端板接触，所述上垫板与质子交换膜水电解槽的上绝缘端板接触，所述定位导杆呈竖向设置并贯穿所述推板，所述下垫板的侧部均设有与所述定位导杆配合的限位槽，所述上垫板设有用于避让所述水-氧气进口通孔、所述水-氧气出口通孔、所述氢气出气通孔、所述氢气端排水通孔并使它们能够与外部连通的接头容纳槽。

18、一种质子交换膜水电解槽的制造方法，其包括装配步骤、气密性检测步骤、电解性能初步测试步骤，其特征在于：采用上述装配装置进行装配步骤，装配时，将上绝缘端板和嵌在上绝缘端板内的阴极集电板吊装在所述上垫板下方并与之接触，将下绝缘端板置于所述下垫板上并将其余质子交换膜水电解槽的部件依次置于所述下绝缘垫板上，放置过程中，两根方形定位导杆分别嵌入质子交换膜水电解槽两侧的限位槽中，每根方形定位导杆与质子交换膜水电解槽的限位槽存在三个面的接触，两根定位导杆嵌入限位槽后能够起到对质子交换膜水电解槽前后左右四个方向进行定位的作用；完成放置后通过启动气缸带动推板上升使质子交换膜水电解槽的部件紧压在一起并进行所述气密性检测步骤和所述电解性能初步测试步骤；

19、进行电解性能初步测试时，将水-氧气进口通孔和水-氧气出口通孔分别与水-氧气进水接头、水-氧气出气接头连接，并且使这两个接头分别与水电解槽测试系统的循环水进水管和出水管连接，将氢气出气通孔与氢气出气接头连接，再与水电解槽测试系统的氢气排气管连接，将水电解槽测试系统的直流电源的正极电缆和负极电缆与质子交换膜水电解槽的阳极集电板上的阳极极耳和阴极集电板上的阴极极耳紧密连接，之后向质子交换膜水电解槽中通入去离子水，并施加直流电流开始电解，监测质子交换膜水电解槽的在不同电流下的总电压与相邻极板之间的分电压是否在合理范围内，若存在异常，则通过气缸带动推板下降更换异常部件再重复测试直至消除异常。

20、进一步地，气密性检测时，将水-氧气出口通孔与氢气端排水通孔密封，水-氧气进口通孔与高压进气组件连接，氢气出气通孔与内漏出气组件连接，将高压进气组件用气管与高压气相连，内漏出气组件通过气管接入水中，持续通入高压气后，高压气从水-氧气进口通孔进入水-氧气进口总管孔，并由各极板阳极极面的水流凹槽导流至水-氧气出口总管孔，之后停止通入高压气并等待一段时间，若内漏出气组件接入水中的气管无气泡生成且高压进气组件上的压力表示数不降低，则判定质子交换膜水电解槽的气密性要求合格。

21、本发明的有益效果为：本发明提供的质子交换膜水电解槽的极板和端板设计简单，因此制造成本低；其次，电解槽采用密封线与密封垫片搭配的双密封结构，能够实现很好的密封效果，防止电解槽内部窜气和向外部漏氢，因而具有良好的安全性；并且，水电解槽结构在加压时考虑了密封结构的压缩量，电解槽的膜电极与极板之间能实现较好的接触，降低了接触电阻，故具有较好的电解性能；同时，只需要在质子交换膜水电解槽外部两侧开设两个定位槽，就能在装配时通过嵌入定位导杆起到对质子交换膜水电解槽前后左右四个方向进行定位的作用，从而简化了定位结构。

22、本发明提供的装配装置简化了质子交换膜水电解槽的制备过程，在装配完成后，无需取下已经装配好的质子交换膜水电解槽，可直接连接水电解槽测试台的管路和直流电源电缆进行电解性能初步测试，从而使得装配和测试的工作效率大大提高，降低人力成本。